FR3071479A1

FR3071479A1 - Commande d'actionneurs pour la commande d'actionneurs d'un aeronef

Info

Publication number: FR3071479A1
Application number: FR1858970A
Authority: FR
Inventors: Tobias Roben; Thomas Grom
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-03-29
Also published as: CN108216580B; FR3060527A1; FR3060527B1; DE102016014974A1; RU2017143766A; RU2738643C2; CN108216580A; RU2017143766A3

Abstract

L'invention porte sur une commande d'actionneurs pour la commande d'au moins deux actionneurs basés sur des technologies différentes et associés par exemple à une gouverne d'un aéronef, notamment d'un avion, avec au moins une commande pilote qui est adaptée pour compenser le comportement propre d'au moins un des actionneurs et avec au moins un régulateur différentiel de charge qui est adapté pour compenser des écarts résiduels de régulation de la force de commande.

Description

[0001 ] L’invention concerne un procédé de commande d’au moins deux actionneurs basés sur des technologies différentes et associés par exemple à une gouverne d’un aéronef, notamment d’un avion.

[0002] Plusieurs conceptions différentes de commande d’actionneurs sont connues de l’état de la technique qui servent à pouvoir utiliser en commun différents actionneurs pour entraîner, par exemple, des gouvernes d’un aéronef. Ainsi, sont connues, par exemple, des conceptions de commande/régulation qui comprennent une configuration de servoactionneurs (EHSA) et d’actionneurs électro-hydrostatiques (EHA), dans laquelle des pressions différentielles des deux actionneurs sont comparées et sont renvoyées via un régulateur PI D à la commande d’actionnement des actionneurs, afin de compenser leurs forces d’actionnement par adaptation du positionnement. Il est connu d’effectuer un changement de la zone morte des signaux de commande, ce par quoi le temps de réaction ou le comportement de réponse de l’actionneur plus rapide est adapté, si bien que des conflits de forces soient évités au moment du démarrage ou lors du mouvement des actionneurs différents.

[0003] En outre, des conceptions de système pour un asservissement de gouverne avec sécurité mécanique sont connues, dans lesquelles différents types d’actionneurs hydrauliques (tels que, par exemple EHSA, EHA, EBHA) peuvent être utilisés.

[0004] Le document US 2008/203224 A traite de l’intégration d’actionneurs électromécaniques (EMA) dans des systèmes de commande de vol hydrauliques traditionnels. Le problème traité n’est pas spécifiquement un conflit de forces lors du fonctionnement actif-actif des deux technologies, mais le fait d’éviter des caractéristiques négatives de ΙΈΜΑ. Dans des configurations actif-passif, un EMA approprié exercerait, en raison de sa lenteur, un effort atténuant sur l’EHSA. Ceci conduit à des tensions ou à une torsion dans la structure mécanique de la commande de surfaces ainsi qu’à une consommation d’énergie augmentée de l’EHSA et à une induction de courants passant par le moteur de ΙΈΜΑ. Dans des configurations actif-actif, il pourrait y avoir, en raison de charges externes, une forte sollicitation de ΙΈΜΑ. Ceci pourrait conduire, en raison d’une capacité insuffisante de dissipation de chaleur, qui est fonction de la technologie, à un échauffement ou à d’autres dysfonctionnements. Le document décrit un mode de fonctionnement particulier, appelé actif-standby, qui est mis en œuvre par une limitation variable de courant à l’intérieur de l’électronique de commande de ΙΈΜΑ. Par cela, il est obtenu que ΙΈΜΑ suit le mouvement de la gouverne et contribue, pour une faible partie, au positionnement (effort d’actionnement) de celle-ci. Uniquement en cas d’efforts externes importants, une baisse de la capacité de l’EHSA actif conduirait à un mauvais positionnement. La limitation de courant à l’intérieur de l’électronique de puissance de ΙΈΜΑ serait alors élevée, si bien que celui-ci pourrait avoir, pour un temps court, un effet de support.

[0005] Les dispositifs connus de l’état de la technique présentent le désavantage que l’on n’obtient qu’une adaptation statique des efforts d’actionnement. Des conflits dynamiques de forces qui surviennent au cours d’un actionnement, ne sont pas pris en compte. Ceci est pourtant l’effet dominant, notamment dans des configurations hybrides lors de débattements importants discrètes de la gouverne. Une mise en œuvre appropriée à l’intérieur de systèmes réels de commande de vol ne ressort pas de l’état de la technique pour la conception de la commande pilote.

[0006] Le but de l’invention est donc de mettre à disposition une commande d’actionneurs qui est en mesure de surmonter ou minimiser des conflits de forces ou respectivement des conflits statiques de forces entre des actionneurs différents.

[0007] Des conflits statiques de forces sont définis essentiellement par les tolérances et imprécisions dans le positionnement des actionneurs des uns par rapport aux autres. Ainsi, par exemple, des erreurs des capteurs de position (LVDT) conduisent à un positionnement erroné des uns par rapport aux autres. En fonction de l’amplification de régulation typiquement proportionnelle, une force constante s’établit avec laquelle les actionneurs veulent atteindre leur position respective mesurée les uns par rapport aux autres. Il est ainsi connu de l’état de la technique d’effectuer une régulation parallèle au positionnement, de la force différentielle par un retour à la commande de positionnement. En dehors de cette méthode, il est également possible d’éviter des erreurs de positionnement lors de la fabrication de composants, lors de leur installation et par la maintenance.

[0008] Les causes indiquées plus haut pour des conflits statiques de forces concernent cependant toute configuration d’actionneurs dans laquelle plusieurs appareils travaillent en fonctionnement actif. Dans des configurations actif-passif, cela ne peut pas arriver que des actionneurs se déplacent activement les uns vers les autres. Mais malgré cala, l’actionneur passif exerce, par sa caractéristique d’atténuation, un effort sur l’actionneur actif qui peut être, en fonction de la vitesse d’actionnement, du même ordre de grandeur.

[0009] Afin de rendre possible un fonctionnement sûr et efficace, la conception présentée ci-après distingue entre des conflits dynamiques de forces qui relèvent du comportement propre caractéristique des actionneurs, et des conflits statiques de forces qui relèvent d’erreurs de positionnement. Elle approche les deux causes de manière ciblée. Par cela, une répartition optimale de puissance des actionneurs d’une gouverne entre eux est assurée.

[0010] Le but de l’invention est atteint avec un procédé de commande d’au moins deux actionneurs basés sur des technologies différentes, d’une gouverne d’un aéronef, notamment d’un avion, avec les étapes :

- de réguler/commander les actionneurs pour octroyer un comportement modélisé commun et

- de compenser des écarts de régulation à l’aide d’un régulateur différentiel de charge.

[0011] Selon l'invention, le calcul du comportement modélisé comprend le calcul de fonctions de transfert inversibles à partir d’équations différentielles linéarisées.

[0012] La commande d’actionneurs est configurée pour la commande d’au moins deux actionneurs basés sur des technologies différentes et associés par exemple à une gouverne d’un aéronef.

[0013] La commande d’actionneurs comprend au moins une commande pilote qui est adaptée pour compenser le comportement propre d’au moins un des actionneurs, et au moins un régulateur différentiel de charge qui est adapté pour compenser des écarts résiduels de régulation de la force de commande. L’invention concerne en outre un aéronef avec une commande d’actionneurs correspondante et un procédé correspondant.

[0014] Le régulateur différentiel de charge peut être du type proportionnel (P), intégral (I) ou une combinaison avec une composante différentielle (PID).

[0015] L’aéronef est notamment un avion.

[0016] Les différentes technologies des actionneurs peuvent concerner, par exemple, des entraînements hydrauliques, électrohydrauliques, électriques, tout type d’entraînement hybride et toutes autres technologies d’entraînement. Les écarts de régulation restants concernent des écarts qui ne peuvent pas être minimisés ou ne peuvent pas être minimisés suffisamment. Les écarts peuvent être des écarts entre les signaux de commande et/ou les signaux de position des différents actionneurs. Ces écarts peuvent en outre correspondre à des différences ou des écarts entre les forces d’actionnement mises à disposition par les actionneurs.

[0017] Ici, le terme de force d’actionnement est à interpréter large et il peut comprendre des paramètres tels que la position, la vitesse et/ou l’accélération des actionneurs ou de la gouverne correspondante, lesquels peuvent exercer directement une influence sur la force d’actionnement.

[0018] Selon l'invention, il est pensable que la commande est configurée pour la commande de précisément une gouverne. Par cela, il est à comprendre qu’il est possible d’asservir, à l’aide de la commande d’actionneurs, une pluralité de, ou au moins deux, actionneurs d’une même gouverne. L’aéronef peut comprendre, bien sûr, plus d’une seule gouverne qui peuvent toutes, ou en partie, être asservies à l’aide de la commande d’actionneurs selon l’invention. Le terme de commande n’est pas à considérer de manière limitative mais comprend aussi le fait de mettre en œuvre, de manière supplémentaire ou de manière alternative à des étapes de commande, des étapes de régulation.

[0019] Il est ainsi pensable que la commande pilote est adaptée pour octroyer aux actionneurs un comportement modélisé commun et notamment optimisé. L’octroi d’un comportement modélisé signifie ici une commande/régulation des actionneurs qui peut être calculée en tenant compte des caractéristiques notamment de tous les actionneurs participants. Par l’octroi d’un comportement modélisé correspondant, il est possible d’assurer qu’aucun actionneur ne soit asservi pour des mouvements qu’il ne peut effectuer, par exemple, que plus lentement qu’un autre actionneur. Dans le cas contraire, puisque les deux actionneurs sont accouplés l’un à l’autre par le biais de la gouverne, il pourrait y avoir des conflits de forces.

[0020] Le comportement modélisé peut être obtenu par un calcul de fonctions de transfert inversibles à partir d’équations différentielles linéarisées, les équations différentielles décrivant le système des actionneurs.

[0021] Il est encore pensable que le comportement modélisé commun correspond au comportement de l’actionneur le plus faible ou le prend en compte et/ou que le comportement modélisé correspond à un modèle qui comprend une trajectoire continue ne passant pas en-dessous d’une capacité exigée, dans les spécifications, du système. L’actionneur le plus faible peut être, par exemple, l’actionneur le plus faible en puissance et/ou l’actionneur le plus lent et/ou l’actionneur qui répond le plus lentement. Par cela, on assure que des actionneurs plus rapides ne soient pas asservis ou commandés pour un fonctionnement plus rapide que des actionneurs plus lents et que, par cela, des conflits de forces ne soient pas déjà introduits lors de l’asservissement des actionneurs.

[0022] Le terme de système peut comprendre ici les actionneurs, la gouverne et/ou l’électronique de commande ainsi que, le cas échéant, les calculs effectués.

[0023] Selon l'invention, il est aussi pensable qu’il soit prévu une limitation qui est adaptée pour limiter la contribution du régulateur différentiel de charge au courant total de commande. La limitation peut comprendre ici une composante physique et/ou elle peut être obtenue, par exemple, par une programmation de la commande d’actionneurs. Par contribution du régulateur différentiel de charge au courant total de commande, on peut comprendre qu’il est possible de limiter l’influence du régulateur différentiel de charge aux signaux de commande ou à la position, la vitesse et/ou l’accélération de la gouverne ou de l’actionneur ou des actionneurs, comparée à l’influence de la commande pilote sur les paramètres énoncés.

[0024] De plus, il est pensable que la commande pilote soit déterminante et soit notamment surveillée par une comparaison à une réplique et/ou soit univoque pour chaque canal. Le terme de canal peut désigner principalement une partie de la commande d’actionneurs qui sert à la commande d’un seul actionneur.

[0025] Comme indiqué plus haut, l’invention propose donc un procédé de commande d’au moins deux actionneurs basés sur des technologies différentes, d’une gouverne d’un aéronef, notamment d’un avion, avec les étapes :

réguler/commander les actionneurs pour octroyer un comportement modélisé commun et compenser des écarts de régulation à l’aide d’un régulateur différentiel de charge.

[0026] Le régulateur peut être réalisé sous la forme d’un régulateur PID, d’un régulateur I ou d’un régulateur P.

[0027] Selon un mode de mise en œuvre particulièrement préféré, le procédé peut comprendre le calcul de fonctions de transfert inversibles à partir d’équations différentielles linéarisées pour déterminer ou calculer le comportement modélisé.

[0028] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention seront expliqués à l’aide de modes de réalisation représentés, à titre d’exemples, dans les dessins dont :

- la figure 1 montre un exemple d’un mode de réalisation de la commande d’actionneurs avec trois actionneurs différents,

- la figure 2 est une représentation schématique du flux de signaux de la conception de commande pilote selon l’invention,

- la figure 3 montre l’allocation fonctionnelle de la conception de régulation à l’intérieur de l’architecture des appareils, et

- la figure 4 montre des formules pour effectuer la commande d’actionneurs.

[0029] La figure 1 montre une représentation schématique d’une commande d’actionneurs selon l’invention pour la commande d’au moins deux actionneurs basés sur des technologies différentes. Dans le mode de réalisation montré sur la figure 1, trois actionneurs différents (EHSA, EMA et EHA) sont montrés. Selon l’invention, un nombre indifférent d’actionneurs de toutes sortes de technologies peuvent être accouplés les uns aux autres ou être commandés à l’aide de la commande d’actionneurs.

[0030] Comme cela ressort de la figure 1, la commande d’actionneurs peut être accouplée à l’ordinateur de commande de vol (Flight Control Computer ; FCC) ou peut être mise en œuvre au moins partiellement sur ledit ordinateur. De son côté, le FCC peut recevoir ou transmettre des commandes données par le pilote, comme cela est connu de l’état de la technique. Pour la mise en œuvre de la commande d’actionneurs, des électroniques de commande de moteur (MCE) et/ou des unités électroniques à distance (Remote Electronic Units ; REU) reliées à celles-ci peuvent être prévues. Les REU peuvent être reliées aux MCE pour la transmission d’informations relatives à la commande de cadence (Rate Command), de la mémoire RAM LVDT et/ou de la sélection de mode (Mode Select). Via une liaison par bus de données, des informations relatives à la commande «Trajectory Command », la sélection de mode et/ou les données de l’état des REU (REU Stage Data) peuvent être transmises entre le FCC et les REU. A l’aide du FCC, à leur tour, des données concernant la règle « Direct Control Law », le modèle « Forward Model » et/ou le système et monitoring peuvent être traitées.

[0031] Le régulateur PID et/ou la commande pilote peuvent être réalisés, au moins pour partie, sur toutes les composantes ou sur une partie de celles-ci représentées sur la figure 1, notamment sur le FCC, les REU et/ou les MCE. Le régulateur PID est mis en lieu et place d’un régulateur de force différentielle et constitue un mode de réalisation préféré.

[0032] La figure 1 montre une réalisation concrète de cette conception dans des systèmes de commande de vol. La façon de la réalisation est si générique qu’il n’y a pas de limitation en ce qui concerne la combinaison de technologies. Pour cela, la figure 1 représente, à titre d’exemple, une combinaison de EHSA, EHA et EMA dans un tel système de commande de vol.

[0033] Les conflits dynamiques de forces, qui peuvent être réduits ou surmontés selon l’invention, sont générés dans les mouvements de la gouverne en raison du comportement propre caractéristique des actionneurs respectifs actionnés. Alors que dans le vérin d’un EHSA, en raison de l’amplification des forces, la pression système est immédiatement disponible, son accélération est meilleure que celle d’un EMA, puisque dans ce dernier, il faut d’abord surmonter l’inertie de l’engrenage et de la vis sans fin. Par rapport à cela, la vitesse d’actionnement d’un EMA est, contrairement à celle d’un EHSA, essentiellement indépendante de la charge externe. Sa vitesse de rotation décroît en cas de charge maximale uniquement par une limitation du courant moteur à l’intérieur de l’électronique de commande moteur. Dans un EHSA par contre, le flux passant par la servovalve, et ainsi la vitesse d’actionnement, est déterminé par le potentiel de pression disponible. En cas d’une charge externe, la pression différentielle augmente dans le vérin et le flux passant diminue.

[0034] Pour cette raison, il est nécessaire, pour éviter des conflits dynamiques de forces, le cas échéant en fonction de l’état du système (par exemple d’une charge externe), de connaître le maillon le plus faible du système qui produit un effet freinant lors de chaque actionnement. Lorsque tous les actionneurs concernés ont justement ce comportement d’actionnement, comme cela est prévu selon l’invention, des conflits de forces peuvent être évités.

[0035] Selon la figure 2, on essaie d’abord, conformément à l’invention, de compenser le comportement propre du système (de l’actionneur ou de l’actionneur le plus faible ou des actionneurs). Pour cela, le système est décrit de manière détaillée à l’aide d’équations différentielles (voir la formule 1 de la figure 4). Celles-ci sont ensuite linéarisées afin d’obtenir des fonctions de transfert inversibles (voir formule 2 de la figure 4). Par cela, on peut établir la corrélation, appelée sur la figure 2 « Compensation à contre-réaction » (Feed-Forward Compensation), entre la trajectoire X effectuée par un actionneur et le courant de commande l_sv nécessaire pour cela. Ainsi, il est possible d’asservir chaque actionneur de façon telle qu’il présente un comportement modélisé appelé « Dynamique de référence » (Reference Dynamic).

[0036] Puisque chaque système physique est soumis à une certaine inertie, il est nécessaire, lors d’une étape suivante, de trouver un comportement modélisé qui tient compte de la capacité de performance maximale du système donné. Ceci peut être réalisé en intégrant un modèle du maillon le plus faible du système. D’un autre côté, on peut utiliser tout modèle qui calcule une trajectoire continue laquelle ne passe pas en-dessous d’une capacité du système requise dans sa spécification.

[0037] Puisque la conception décrite est basée sur une simplification d’équations de modèles, les actionneurs physiques vont présenter, en ce qui concerne leur positionnement, des écarts du comportement de référence, et cela malgré la commande pilote. Ces écarts sont compensés par le régulateur de position (« Controller »), qui est notamment mis en parallèle, par la contribution limitée en autorité de celui-ci au courant total de commande.

[0038] Sur la figure 3, il est représenté de manière schématique, comment la conception de commande pilote décrite peut être mise en œuvre pour la configuration d’EHSA, EMA et EHA, proposée à titre d’exemple sur la figure 1. La figure 3 montre l’architecture de système et l’allocation de fonctions de la commande pilote et de la régulation aux appareils différents (FCC, REU) ainsi que la communication entre eux. Des détails de la commande/régulation selon l’invention, notamment pour la réalisation des REU ainsi que pour la transmission de signaux entre le FCC et les REU via la liaison par bus de données, peuvent être réalisés partiellement ou entièrement selon l’exemple montré sur la figure 3.

[0039] La conception décrite rend possible de diviser l’asservissement des actionneurs selon l’invention en une ligne de commande pilote et une ligne de régulation de force différentielle, c’est-à-dire en une commande pilote et un régulateur PID. La commande pilote constitue la majeure partie de la commande d’actionnement, alors que le régulateur de force est limité dans son autorité.

[0040] La commande pilote est déterminante et peut être surveillée par comparaison avec une réplique (moniteur). Elle est univoque pour chaque canal et il n’y a pas d’accouplement. Par cela, l’indépendance des canaux est garantie, ce qui rend possible la plus grande disponibilité.

[0041] La dépendance restante des canaux due au calcul de la force différentielle à l’intérieur du régulateur de force correspondante est minimisée en ce qui concerne son influence, comparée à des conceptions traditionnelles qui sont exclusivement basées sur la régulation de force. Grâce à cela, la possibilité de surveillance du système est améliorée par rapport à d’autre conceptions.

[0042] Ceci permet le cas échéant, en cas d’une défaillance fonctionnelle, de séparer les canaux entièrement (désactivation de la boucle de retour de force), ce qui est accompagné d’une réduction insignifiante de performance.

[0043] Ce qui est nouveau dans cette conception est l’utilisation d’une commande pilote combinée avec un régulateur de force différentielle pour commander une gouverne d’avion, ainsi que l’architecture du système qui est derrière cette conception de régulation.

[0044] De manière analogue au calcul de la commande d’actionnement selon les consignes de la règle « Flight Control Law », l’ordinateur de commande de vol (FCC) prend en charge, de manière supplémentaire, le calcul continu d’un comportement modélisé optimisé pour la gouverne concernée. Ce comportement est caractérisé par un profil dynamique de mouvement (trajectoire) qui consiste en des signaux de position, de vitesse et d’accélération sur une période de temps, lequel profil est transféré à l’électronique de positionnement (REU) subordonnée. Chaque REU forme, ensemble avec l’actionneur associé, un canal séparé de commande et/ou peut comprendre le régulateur PID. C’est sur elle que la boucle de régulation de position est fermée et que le comportement propre respectif d’actionneur est compensé, le comportement modélisé donné comme consigne par le FCC étant octroyé à chaque actionneur. Ces fonctions décrites sont exécutées de manière indépendante, c’est-à-dire sans accouplement ou seulement avec un accouplement partiel, des REU les unes aux autres. Une telle indépendance donnée par l’architecture est particulièrement intéressante à obtenir au vu de la possibilité de certification pour la commande primaire de vol.

[0045] Le régulateur de force différentielle prévu de manière supplémentaire rend possible une amélioration supplémentaire du comportement de conflit de forces. Pour cela, il est accepté que l’indépendance soit rendue légèrement moins stricte. Comparée à d’autres conceptions de solution, la combinaison avec la commande pilote ne nécessite qu’une faible autorité pour la régulation, ce qui minimise l’influence de la partie de commande engendrée de manière dépendante.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de commande d’au moins deux actionneurs basés sur des technologies différentes, d’une gouverne d’un aéronef, notamment d’un avion, avec les étapes :

réguler/commander les actionneurs pour octroyer un comportement modélisé 5 commun et compenser des écarts de régulation à l’aide d’un régulateur différentiel de charge.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul du comportement modélisé comprend le calcul de fonctions de transfert inversibles à partir d’équations différentielles linéarisées.

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Fig. 1 Commande de trajectoire Sélection de mode • Données de l’état de la REU

Touche Capteur de force Capteur de force LJ différentielle M Moteur électrique

Ordinateur de commande de vol

Unité électronique à distance

Mpr I Electronique de ' * ’ · commande moteur

Données de bus de données

Données analogues

Entrée

Dynamique de référence ttU

1 MCE A W M Ixxx»,. E MA o

Gouverne (par ex. gouverne de direction)